直流電機工作特性

1、第七節(jié) 直流電機的運行原理 直流電機的基本方程式 直流電動機的工作特性 直流發(fā)電機的特性一、直流電機的基本方程式：（電系統(tǒng)的電勢平衡方程式，機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式，能量系統(tǒng)的功率平衡方程式。）1、電勢平衡方程式： A、不計磁路飽和效應(yīng)，并勵電動機電樞回路和勵磁回路的電勢方程式：aEaIfIfffaaaaafafaIRUUIREIRIGUUB、并勵發(fā)電機電勢方程式：發(fā)電機的 大于 。aEaIfIfffaaaaIRUIRUEaEaU2、轉(zhuǎn)矩平衡方程式：A、電動機： 瞬態(tài)方程（電磁轉(zhuǎn)矩 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 穩(wěn)態(tài)方程B、發(fā)電機： 瞬態(tài)方程原動機拖動轉(zhuǎn)矩 穩(wěn)態(tài)方程 dtdJtMtMtM)()()(02dtdJt

2、MtMtM)()()(0102MMM01MMM 空載轉(zhuǎn)矩慣性轉(zhuǎn)矩3、功率方程式：A、直流電機中的損耗、效率：損耗有三類 消耗于導(dǎo)體電阻中。 消耗于摩擦損耗、通風(fēng)和機械損耗。 消耗于鐵心中的損耗。鐵耗： 由于電樞旋轉(zhuǎn)時主磁通在電樞鐵心內(nèi)交變而引起的。銅耗：電樞回路銅耗勵磁回路銅耗電刷接觸銅耗 為一對電刷總接觸電壓降。Fep1cupaacuarIp2sU2ffcufrIp2sasUIp 2機械損耗： 包括軸承摩擦損耗、電刷摩擦損耗、定轉(zhuǎn)子和空氣的摩擦損耗。附加損耗： 電樞齒、槽存在，使氣隙磁通產(chǎn)生脈動，電樞反應(yīng)使磁場畸變引起的鐵耗。換向電流引起的損耗。 按額定容量的% 計算 ， 無補償繞組 按額定

3、容量的 0.5% 計算 ， 有補償繞組在以上損耗中， ， 隨負(fù)載變化而變化，稱為可變損耗； ， ， 為不變損耗。電機的效率ppppcuapspcufp %100)(21 %100)1 (%1002112fassaacufFeIIUIUrIpppPpPP當(dāng)不變損耗可變損耗時， 取得最大， 是 的二次曲線。B、并勵電動機的功率方程式： 電磁功率 機械功率 電功率maxaIppPMMIEMPPpppIIUUIPFeaaMMscuacufaf2021)()(1PMP2PFeppspcufpcuapC、并勵發(fā)電機的功率方程式： 電磁功率 電功率 機械功率FeMMscuacufasaaaaMppPpPMM

4、MPPpppIUrIUIEP00112)()2(1PMP2PFeppcufpcuapsp二、直流電動機的工作特性： 當(dāng)端電壓為額電壓，電樞回路無外串電阻，勵磁電流為額定勵磁電流時，電機轉(zhuǎn)速 ，電磁轉(zhuǎn)矩 ，和效率 與輸出功率 之間的關(guān)系。 即：實際運行中， 可測，且 隨 增大而增大，所以，工作特性可表示為：nM2P)(,2PfMnaIaI2P)(,aIfMn1、并勵直流電動機的工作特性：A、轉(zhuǎn)速特性：aaaeaIREUnCEaaeaeInICRCUn0其中， 為理想空載轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速特性為一斜率為 的直線。當(dāng)電機磁路飽和時，隨著 的增大， 增大，電樞反應(yīng)的去磁作用使 增大，直線上翹。為保證電機穩(wěn)定運

5、行， 0采取措施使特性略為下降。B、轉(zhuǎn)矩特性： 不計去磁特性為一過原點的直線。當(dāng)考慮電樞反應(yīng)時，實際曲線偏離直線 ，仍接近于一條直線。 eCUn0eaCRaI0nn2PaInaMaMICMICM aMICMMnC、效率特性： 是 的二次曲線。當(dāng)不變損耗可變損耗時， 取得最大。 0 %100)(21 %100)1 (%1002112fassaacufFeIIUIUrIpppPpPPaImaxaImax2、串勵直流電動機的工作特性：基本方程式：不計飽和時：afafaaaaffaIIMMMIRREIRIREU )(02fMMaMfaMaMfeeaefeeaKCCICIICICMKCCnICnICnC

6、E2 nICnCERIRIEUaeeaffaaafaaaeaeeaaRRRRCICUCRIUn 1A、轉(zhuǎn)速特性：分析：a、轉(zhuǎn)速 隨著 的增大而迅速減小。 （因為 ）。 b、空載時， 很小， 及 很小，電機必須 產(chǎn)生反電勢 與電源電壓相平衡， 因此, 很高。 理論上， 時， ， 。 故串勵電動機不允許空載或輕負(fù)載運行。naIfaII aIaaRInCEean0aI0nnnaIMM0B、轉(zhuǎn)矩特性：當(dāng) 增大， 很快減小，使 升很快。即，隨著 增大， 將以高于 的一次方比例增大。 在同樣大小的起動電流 下，串勵電動機的 大于并勵電動機的 。C、效率特性： 與并勵電動機類似。 2aMaMICICMaIn

7、MaIMaI %100)(21 %100)1 (%1002112fassaacufFeIIUIUrIpppPpPPstIstMstM并勵電動機與串勵電動機工作特性比較：A、串勵電機的 隨 增大而迅速下降。B、串勵電動機不允許空載或輕負(fù)載運行。C、在同樣大小的起動電流 下，串勵電動機的 大于并勵電動機的 。naIstIstMstM串勵并勵stIMaI0串stM并stM3、復(fù)勵直流電動機的工作特性： 它介于并勵和串勵電動機特性之間。 當(dāng)并勵繞組磁勢起主要作用，特性接近于并勵電動機特性。 當(dāng)串勵繞組磁勢起主要作用，特性接近于串勵電動機特性。 在空載時無飛速現(xiàn)象。三、直流發(fā)電機的工作特性： 可測物理量

8、有：發(fā)電機端電壓 ，電樞電流 ，勵磁電流 ，轉(zhuǎn)速 等。有四種特性曲線：UaIfInCnIIfUaf , 0 , )(0CnCIIfUaf , , )(CnCIIfUfa , , )(CnCUIfIaf , , )(空載特性負(fù)載特性外特性調(diào)節(jié)特性(一)、他勵發(fā)電機特性：1、他勵發(fā)電機空載特性：當(dāng)電機 時，調(diào)節(jié)使發(fā)電機空載端電壓 ， 然后使 逐漸回到零，測取空載端電壓 與 關(guān)系曲線 即為空載特性曲線 。分析：A、空載特性表明電機磁路的性質(zhì)。即：當(dāng) 一定時，電機繞組感應(yīng)電勢與其對應(yīng)磁勢的關(guān)系。B、改變勵磁電流 的方向，可測出反方向的 空載特性曲線。C、改變電機轉(zhuǎn)速 ，可得不同的空載特性曲線。D、并勵

9、、復(fù)勵直流發(fā)電機的空載特性都以 他勵形式測取。enn eUU3 . 11 . 10fI0U0fI)(0fIfU n0fInfI空載特性曲線：0UfIfI0U1n2n21nn ofIo2、負(fù)載特性：當(dāng) ， 時，端電壓 曲線。與空載特性比較：當(dāng) 上升時，兩曲線都上升。當(dāng) 一定時，兩特性的電壓不同。 空載 負(fù)載CnCIafIfI)(fIfU fIUo3、外特性：當(dāng) ， 時，端電壓 曲線。當(dāng)負(fù)載電流及電樞電流增大時，曲線略為下垂。 積復(fù)勵 他勵 并勵CnCIf)(aIfU UIoeIeU4、調(diào)節(jié)特性：當(dāng) ， 時，端電壓 曲線。當(dāng)電樞電流增大時，曲線往上翹。CnCU )(afIfIaIfI0fIeIfe

10、I(二)、并勵直流發(fā)電機空載電壓的建立：并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機均為自勵發(fā)電機，首先應(yīng)在空載時建立電壓，然后再帶負(fù)載。自勵電壓建立的三個條件：必須有剩磁；勵磁繞組與電樞并聯(lián)的極性正確；勵磁回路中電阻小于臨界電阻。電機有剩磁，極性正確氣隙磁場得到加強電樞繞組電勢增加勵磁電流增加電樞端電壓建立起來如何穩(wěn)定呢？0fI0UrE0A臨界電阻線 勵磁電阻線 空載特性空載電壓建立能否穩(wěn)定？勵磁繞組端電壓 與勵磁電流 ： 在磁路上滿足空載特性 ，在電路上滿足伏安特性 。當(dāng) 時 ，達(dá)穩(wěn)定點A。即兩曲線的交點。0UfI)(0fIfU 0fffIrU0UUf(三)、并勵、復(fù)勵直流發(fā)電機負(fù)載運行：當(dāng) ，建立自勵電壓后，保

11、持 ，接入負(fù)載 ，逐漸減小 ，測取 與 的曲線。下垂原因： 電樞反應(yīng)； 積復(fù)勵 電樞繞組壓降； 他勵 并勵直流電機隨 并勵 的減小，電樞感應(yīng)電勢 大大減??； 串勵電機 隨負(fù)載變化，使 不穩(wěn)定，可安自動裝置。 CnCRfLRLRUIUUaEafII UIeI0UeU0 第八節(jié) 直流電機的換向 換向的電磁現(xiàn)象 改善換向的方法 補償繞組 直流電機電樞繞組中的電勢和電流是交變的。借助于換向器和電刷，在電刷間獲得直流電壓和電流。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的電樞繞組元件從一條支路經(jīng)電刷底而進(jìn)入另一條支路時，該元件中的電流從一方向變換成另一方向，這種電流方向的變換稱為換向。 換向不良：電刷火花，燒壞電刷和換向器，電機不能運行。

12、 換向過程復(fù)雜：電磁、機械、電化學(xué)等各方面因素?，F(xiàn)僅就電磁現(xiàn)象及改善換向的方法作介紹：一、換向的電磁現(xiàn)象：2 1ai 2kv)(a2 12 1kvkvai 2ai 2)(c)(b 在上述過程中，元件1 中的電流改變了方向。經(jīng)過了一個換向過程。換向過程經(jīng)歷時間為換向周期 ，一般為千分之幾秒。 若換向元件中電勢為零，則元件中電流變化為線性的變化。實際換向元件中會出現(xiàn)兩種電勢：電抗電勢 ，電樞反應(yīng)電勢 。(一)、電抗電勢 ：換向元件中在電流變化時，必然出現(xiàn)由自感和互感作用引起的感應(yīng)電勢，稱為電抗電勢 。由元件自感和互感漏磁通產(chǎn)生，作用是阻礙換向。 KTreaerereKararrTiLdttdiLe

13、2)(二)、電樞反應(yīng)電勢 ： 由于電樞反應(yīng)的作用，換向元件的有效邊所處的電樞磁場的磁密不為零，元件邊將切割電樞磁場產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，稱為電樞反應(yīng)電勢 。 其作用是阻礙換向。（三）、 和 均使電流換向延時。1、被電刷短路的換向元件瞬時斷開時，附加電流不為零，儲能以弧光放電轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生火花。2、 、 均與電樞電流和轉(zhuǎn)速成正比。大電流，高轉(zhuǎn)速電機換向更困難。aeaeaaalvBe aerereaeitaiaiKiKi0二、改善換向的方法： 從減小和消除附加電流 著手：1、裝換向極。主極間幾何中性線處，繞組與電樞繞組串聯(lián)。作用：抵消電樞磁勢在幾何中性線處的作用； 剩余部分產(chǎn)生附加磁場 ，抵消 。2、移

14、動電刷位置。電刷移開幾何中性線一角度。 一般不常用。3、選用合適電刷：減小接觸電阻。 石墨電刷換向不困難的中小型電機， 碳石墨電刷換向困難的中小型電機，青銅石墨電刷低壓大電流電機，紫銅石墨電刷低壓大電流電機。KireKB三、補償繞組： 在主極極靴上沖出一些均勻分布的槽，放置補償繞組。 補償繞組與電樞繞組串聯(lián)。磁勢與電樞磁勢方向相反，其作用是減小電樞反應(yīng)引起磁場畸變，防止環(huán)火。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，一般不采用。環(huán)火產(chǎn)生原因： 電樞反應(yīng)磁場畸變，元件切割極尖下增磁區(qū)的 時感應(yīng)出很大的電勢，使處于該處換向片間的電位差很大，當(dāng)此電位差值超過一定限制，就發(fā)生換向片間電位差火花。該火花延伸到片間電壓較大處

15、，在正負(fù)電刷間形成電弧連通，使換向器周圍發(fā)生環(huán)火。B作業(yè)：9月29日1、一臺P對極的直流電機，電樞繞組為單迭繞組，其電樞繞組電阻為 ，電樞電流為 。若改接為單波繞組，并保持支路電流不變，問電樞繞組電阻和電樞電流將為多少？2、一臺并勵直流電動機在 的條件下運行，電樞繞組電阻為 ， 勵磁繞組電阻為額定負(fù)載時效率 求：額定輸入功率；額定輸出功率；總損耗；電樞回路銅耗；勵磁回路銅耗；電刷接觸損耗；附加損耗；機械損耗與鐵耗之和。安伏，80220NNIUaraI歐 08. 0ar伏， 22sU歐 8 .88fr 85N3、一臺并勵電動機，1)、電動機的額定輸出轉(zhuǎn)矩；2)、在額定電流時的電磁轉(zhuǎn)矩；3)、當(dāng)電

16、樞電流 時，電機的轉(zhuǎn)速；4)、在總制動轉(zhuǎn)矩不變時，當(dāng)電樞中串入一電阻0.1歐，電機穩(wěn)定時的轉(zhuǎn)速。安伏，255440NNIU分，轉(zhuǎn)安千瓦，/500 ,596NfNNnIP歐，試求： 078. 0ar0aI4、一臺并勵電動機，忽略電樞反應(yīng)作用，試求：1)、當(dāng)電樞電流 時，電機的轉(zhuǎn)速；2)、當(dāng)電樞電流 安 時，電動機的轉(zhuǎn)速；3)、若保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，當(dāng)磁通減少15時，電機穩(wěn)定時的電樞電流和轉(zhuǎn)速。安伏，2 .82110NNIU分，轉(zhuǎn)千瓦，/1500 5 . 7NNnP歐，歐， 7 .46 1014. 0farr安60aI0aI 直流電機小結(jié) 1、直流電機的工作原理電和磁相互作用。電機外電路中電壓、電流

17、、電動勢為直流性質(zhì)；每個繞組元件中的為交流性質(zhì)。fNNNNNInIUP、 4、電樞繞組直流電機的心臟，主要電路。由許多完全相同的繞組元件以一定的規(guī)律連接起來的閉合繞組。 疊繞組、波繞組。 并聯(lián)支路對數(shù)。2、結(jié)構(gòu)靜止的磁極、旋轉(zhuǎn)的電樞、氣隙。3、額定值5、磁場空載、負(fù)載時氣隙磁密波形。 電樞反應(yīng)。電機旋轉(zhuǎn)氣隙磁通變化電路磁鏈變化氣隙儲能變化電氣系統(tǒng)反應(yīng)，產(chǎn)生E。E與I作用，輸入或輸出電能機械系統(tǒng)反應(yīng)，產(chǎn)生T。T與n作用，輸入或輸出機械能 標(biāo)志機電能量轉(zhuǎn)換的功率。emaaTIE6、能量轉(zhuǎn)換電氣系統(tǒng)（電樞繞組）、 機械系統(tǒng)（轉(zhuǎn)軸）、聯(lián)系兩系統(tǒng)的耦合介質(zhì) （磁場）。7、基本方程式電勢、轉(zhuǎn)矩、功率平衡方

18、程式。 分析電機的運行特性、工作特性。8、并勵直流電動機恒速電動機，T與I成正比。串勵直流電動機轉(zhuǎn)速變化大，T與I平方成正比。復(fù)勵直流電動機介于兩者之間。9、直流發(fā)電機特性端電壓的建立、變化及調(diào) 節(jié)。勵磁方式不同特性不同。10、換向幾種電動勢阻礙換向。換向不良引起環(huán)火。補償繞組。思考題：1、在直流電機中，換向器起什么作用？2、在下列情況下，直流發(fā)電機電刷兩端電壓的性質(zhì)？ 1)、磁極固定，電刷與電樞同時旋轉(zhuǎn)。 2)、電樞固定，電刷與磁極同時旋轉(zhuǎn)。3、下列哪種情況可以使連接在電網(wǎng)上的直流電機逆變?yōu)榘l(fā)電機？ 1)、加大勵磁電流，使磁通增加，并使 。 2)、在電機軸上外加一轉(zhuǎn)矩，使其轉(zhuǎn)速上升，并使 。

19、4、并勵直流發(fā)電機正轉(zhuǎn)時能自勵，反轉(zhuǎn)能否自勵？為什么?應(yīng)如何處理？UEaUEa5、如何判斷直流電機是運行于發(fā)電狀態(tài)還是電動狀態(tài)？它們的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電樞感應(yīng)電勢、電樞電流和端電壓的方向有何不同？能量轉(zhuǎn)換關(guān)系有何不同？6、一臺他勵直流電動機拖動一臺他勵直流發(fā)電機，當(dāng)發(fā)電機電樞電流增加時，電動機的電樞電流如何變化？試分析其變化過程。7、直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電樞電流增大，即電磁轉(zhuǎn)矩增大時，轉(zhuǎn)速似乎應(yīng)該上升，但從其轉(zhuǎn)速特性看，其轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩的增大而減小，為什么？8、串勵直流電機不能在空載下起動和運行，而并勵和復(fù)勵直流電機就可以，為什么？9、要改變他勵、并勵、串勵、復(fù)勵直流電動機的旋轉(zhuǎn)方向，應(yīng)采取什么措施？10、并勵直流電機正常運行時，其